据统计,自2014年12月12日南水北调中线干线工程正式通水,截至2015年12月4日,南水北调中线一期工程累计分水水量21.7亿m³,惠及3 800万人^[1]。南水北调中线工程通水一年来,工程运行平稳,水质较为稳定,在缓解受水区缺水困境,提高城市供水保证率,改善居民饮用水品质,增加水资源战略储备,减缓地下水下降速率,改善生态环境等方面取得了显著的综合效益。以北京为例^[2],“南水”进京一年来,城区自来水使用“南水”水源占60%以上,中心城区城市供水安全系数由1.0提升至1.2,有力保障了首都用水安全;城市自来水硬度(以碳酸钙计)由以前的380mg/L减少到120~130mg/L,比之前降低了六成多,居民普遍反映自来水硬度明显下降、水碱减少,口感更佳;南水的引入逐步降低了北京地下水的开采量,截至2015年11月底,全市地下水开采量比去年同期减少0.95亿m³,全市整体地下水水位下降幅度减缓,2015年9月北京市水务局对外公布,16年来北京地下水水位首次出现回升;“南水”累计向城市河湖及水源地补水1.71 亿m³,密云水库库存下降趋势得到有效遏制,补水区生态环境得到改善,城市河湖水质接近地表水Ⅲ类。

　　 南水北调中线在发挥工程效益的同时,也受到水文条件、自然因素、工程问题、配套工程建设进度等影响,输水水质和水量有着自身的特征规律,也存在着一些安全风险。例如,中线输水线路长,采取明渠输水,水深较浅,受阳光直射作用,有利于藻类繁殖。2014年4~9月中线工程出现硅藻大量繁殖、密度沿线增加的问题,导致水中臭和味明显,堵塞水厂滤池,对水厂正常运行造成很大影响;中线工程多年平均、枯水年和特枯年份输水水量差别较大,特枯年份年内来水过程不均匀,部分月份甚至断水,需要调蓄工程供水或多水源联合供水方式应对。为了充分发挥南水北调工程效益,保障受水区城市供水安全,有必要总结中线工程通水一年来的来水规律,分析实际运行存在的问题,研究中线输水水质和水量变化特征以及潜在的安全风险,分析其对城市供水安全的影响,提出有针对性的城市供水应对措施建议。

　　 南水北调中线一期工程多年平均调水量95亿m³,75%保证率调水量90亿m³,95%保证率调水量仅为62亿m³。南水北调中线工程输水总干渠全长1 432km,其中从南阳淅川陶岔渠首至北京团城湖总干渠1 277km,天津干线155km,中线工程路线示意如图1所示。

　　 南水北调中线工程是由明渠、渠道渡槽、渠道倒虹吸、暗渠、隧洞、有压管涵和若干控制建筑物等构成的复杂输水系统。沿线共有64座节制闸,将渠道分为63个渠池,设有88座分水口门。中线总干渠输水线路长、调水规模大,沿线无在线调节水库,输水工程以明渠自流方式为主。采用闸前常水位的运行方式,运行中允许水位波动小,运行条件要求较高^[3]。中线总干渠全线纵坡小,平均坡度0.078‰,流速低,设计工况下,输水渠道内水流平均流速为0.8 ~1.2m/s,水深3.5~9.5m,从陶岔渠首到北京团城湖的水流时间约15天。另外,黄河以北中线工程还存在冬季冰期输水的情况。

　　 以南水北调中线北方某受水城市水厂为例,分析该水厂所接纳的“南水”主要水质特征,结果如表1所示。由表1可知,该水厂接纳的南水主要水质指标如下:pH 7.68~7.92,呈弱碱性;水温4~29 ℃,因明渠输水,水温受气温变化影响,变幅较大;水中溶解氧基本饱和;高锰酸盐指数1.5~2.6mg/L,原水有机物含量较低;浊度1.5~4.4 NTU,常年低浊;硫酸盐29.9~37.7 mg/L,氯化物10.5~15.9 mg/L,碱度80~110mg/L,原水硬度低,水的腐蚀性较弱,与受水区本地水源相比,口感较“甘甜”;TN 0.62~1.41mg/L,TP低于0.02mg/L,藻类数量813万~2 985万个/L。总体上,南水北调中线来水水质优良,主要水质指标满足地表水环境质量标准Ⅱ类要求,浊度低,有机物含量低,硬度低,水厂水源切换后,自来水用户普遍反映水垢明显减少,更加可口。

　　 值得注意的是,南水北调中线来水水质具有两个明显的特殊水质时期:高温高藻期和低温低浊期。南水北调中线输水工程采取明渠输水,渠道水深较浅,水温随气温变化,5~9月水温在20℃以上,7~8月水温可高达30℃以上;同时,受阳光直射,输水浊度低,水体透明度高,光照条件好,水中总氮含量又较高,水流流速小,适宜藻类大量繁殖。张乃群等^[4]对南水北调中线水源区水体浮游植物的调研结果表明,中线工程水源中以硅藻的种类最多,其次是绿藻和蓝藻;藻密度季节性变化明显,夏季最高,冬季最低,综上推测,中线工程在水温适宜时会出现藻类增长现象。特别是中线工程运行初期,由于输水水量远低于设计规模,流速慢,水力停留时间长,更有利于藻类生长。2015年4 月和7 月对南水北调中线沿程进行了水中藻类调查,结果如图2 和图3 所示。由图2 和图3 可知,与推测相吻合,南水北调中线由南往北藻类数量沿程增加,4 月份优势藻种以绿藻和硅藻为主,且硅藻沿程增势显著,成为主要优势藻种;7 月份优势藻种主要为绿藻、硅藻和蓝藻,其中蓝藻呈现出沿程增加的趋势。藻类的大量繁殖会影响水厂工艺的处理效能,混凝沉淀对藻类去除效果不佳,往往造成滤池堵塞,缩短滤池反冲洗周期,导致产水率下降;藻类大量繁殖形成的次生物质还会导致水中臭味问题;同时,藻类生长繁殖还会消耗水中碱度,增加水的腐蚀性,在夏季高水温情况下,容易导致管网“黄水”^[5~7]。另外,在冬季12~2月,南水北调来水还呈现低温低浊特点,不利于水厂混凝沉淀处理^[8]。

　　 此外,中线输水还存在一些其他风险问题。例如,丹江口水库中存在湖沼股蛤,俗称沼蛤,其卵繁殖期1~2 周,幼虫浮游生活,冬、夏季库区大量出现,多时达到5 个/L,成虫依靠足丝附于坚硬基质上生长,集群后常会堵塞输水管道,且该生物对北方温度有耐受性,存在沿中线输水工程“北上”的风险;由于明渠输水流速较低,水中泥砂等颗粒物,沿程沉积形成渠池底泥,如不及时清理,容易造成水生植物和底栖藻附着藻等生长繁殖,造成输水管渠、水处理构筑物堵塞,以及增加藻类产臭风险。

　　 以中线一期工程河北省来水分配水量为例,分析中线工程供水水量特征。根据《南水北调中线工程河北省配套工程规划》(2003 年),按照1956~1997年中线来水系列水量分配成果,对河北省分配水量进行频率分析,保证率25%(1986年)来水量为32.96 亿m³,保证率50%(1994年)来水量为31.88亿m³,保证率75% (1996 年)来水量为29.27 亿m³,保证率90%(1997 年)来水量为23.22 亿m³。

　　 从来水量的年际变化过程看,最大来水年份为1974 年,年来水量34.74 亿m³,最小来水年份为1966 年,年来水量19.21 亿m³,最大值是最小值的1.81 倍。年来水量大于30 亿m³的年份有30 年,占42 年系列的71.4%,介于20亿~30 亿m³的有11 年,占42 年系列的26.2%,年来水量小于20 亿m³的年份有1 年,可见中线来水年际调水量不均。

　　 从来水量的分配过程分析,来水量大于1.0 亿m³的旬有106 个,占来水系列的7%,来水量在0.8亿~1.0 亿m³的旬有1 213 个,占来水系列的80%,来水量小于0.8 亿m³(包括没有水)的旬有193个,占13%。总体分析,来水过程年内分配比较均匀,但在来水保证率80%以上的枯水年份,大都有1~3 个月来水量很小或无水。

　　 南水北调中线受水区涉及北京、天津、河北、河南两市两省,共计143个受水单元(城市、县城)。图4给出了2001~2010年中线受水区城镇用水量变化情况,由图4可知,近些年中线受水区城镇用水总量缓慢增长,年均增幅9‰,其中生产用水量逐年呈下降趋势,生活用水量逐年增长。城镇用水总量增长主要源于生活用水量增长,与这期间随着城镇化进程加快,城镇用水人口增加直接相关。2010年中线受水区城镇用水总量55.72 亿m³,其中北京市15.56亿m³、天津市6.90亿m³、河北14.95亿m³、河南18.31亿m³。随着我国最严格水资源制度的实施、节水意识的增强、节水技术的发展,按照新时期我国治水新思路,未来受水区城镇用水量将处于缓慢增长甚至趋于零增长的阶段。根据《南水北调中线工程规划》(2001年修订),南水北调中线一期工程多年平均调水量95亿m³,其中河南省分配水量为37.69 亿m³,河北省34.71 亿m³,北京市12.37亿m³,天津市10.15亿m³。对比受水区城镇现阶段用水量和中线一期工程规划调水量,不难看出规划调水量远大于现阶段城镇用水量,也就是说现阶段城镇供水难以完全消纳规划调水量。

　　 以中线工程河北受水区某城市水源优化配置为例,设置3个水平年:现状水平年(2015年)、近期水平年(2020年)和远期水平年(2030 年);设置3 种“南水”来水情景:多年平均来水(平水年)、75%保证率来水(一般枯水年)和90%保证率来水(特枯年)。出于偏安全考虑,“南水”枯水年时未考虑本地来水丰平枯不同情景,本地来水均按照多年平均来水情景计算。结合不同规划水平年的需水及不同保证率南水组合,考虑城市地下水压采目标,共设置9种情景,主要配置结果如下:

　　 (1)南水北调通水后,城市供水保证率整体提高,“南水”将逐步置换本地供水水源,成为城市主水源,在平水年城市基本不缺水;在枯水年和特枯年,“南水”来水量减少,在特枯年的特枯月(1~4月)出现较大缺水,需增加本地地表水和地下水供水量,作为枯水年份城市供水水源应急补充。

　　 (2)南水北调中线工程供水能力富裕,在平水年、枯水年和特枯年,城市实际接纳水量仅占规划分配水量的30%左右,南水北调中线工程供水能力存在较大富余。

　　 针对南水北调中线工程输水水质和水量特征及存在的安全风险,为做好城市供水安全保障工作,建议受水区城市采取以下措施:

　　 (1)在中线干渠主要分水口门设置格栅,拦截水草、鱼类、冰凌、杂物等进入原水管涵;设置预氯化设施,在高藻期向原水中适量投加氯,有利于控制水中藻类或水生生物的生长,但当优势藻为产臭藻时要慎重,防止过量加氯导致细胞内臭味物质大量释放;必要时也可设置粉末活性炭投加设施,在高藻期通过向水中投加粉末活性炭控制水中臭味物质和消毒副产物。

　　 (2)城市水厂一般应具备预氧化条件,如设置预氯化或预臭氧(水厂工艺为臭氧活性炭时)设施,以强化对水中藻类的去除;还应具备两种混凝剂或助凝剂的投加条件,如具备三氯化铁和聚氯化铝两种混凝剂分别投加的条件,以提高高温、低温时混凝沉淀效果,避免因单种混凝剂过量投加造成的残余混凝剂(铝或铁)超标的问题。

　　 (3)常规水处理工艺可以有效应对中线正常水质时期来水;但对于中线来水特殊水质时期,需要采取预处理(预氧化、吸附)、强化混凝、强化过滤等措施;当条件具备时,水厂可采用臭氧活性炭深度处理工艺,提高对高藻期水中臭味物质和消毒副产物的去除。

　　 (4)在没有调蓄工程情况下,水厂应设置厂前调蓄池,调蓄规模应根据应急情况下城市应急供水需要的反应时间计算确定,同时考虑一定的安全余量。为控制藻类繁殖,厂前调蓄池应考虑控藻措施。

　　 (5)南水北调中线工程通水后,实施地下水限采,城市地下水严禁超采,对于条件较好的深井“封而不弃”,进行有序封存和保护,深层地下水补给路径远、速度慢,开采后的恢复难度大,不作为主力水源,仅作为城市应急水源。为了保证紧急时期应急水源可以及时安全启用,建议应急水源供水设施处于“热备”状态。

　　 (6)根据城市本地供水水源情况和城市用水需求状况,充分考虑“南水”和本地水的丰枯互补能力,经研究和充分论证后,在确有必要的情况下,适时推进调蓄工程建设,提高枯水年份城市供水保证率。

　　 (7)在优先保障城市生活和设区市、省级重点工业区等重要目标用水要求的前提下,要充分利用南水北调工程的输水能力,特别要充分利用“南水”低保证率时的丰沛来水,采取优惠政策,利用分水口门、退水口门向天然河湖水面补水,涵养地下水源,改善生态环境,最大限度地发挥南水北调工程的社会效益、生态环境效益。

　　 随着南水北调中线一期工程通水,受水区越来越多的城市将逐步实现供水水源置换。本文在总结中线一期工程通水运行一年来实际经验的基础上,归纳了中线工程来水的水质和水量特征,分析了受水区城市供水存在的问题和供水安全风险,有针对性地提了六条建议措施,可为城市供水相关部门和供水企业有关决策提供参考。